Kredit:Unsplash/CC0 Public Domain
Mikroorganismfria enzymbaserade reaktionssystem används nu för produktion av väte, bioelektricitet och användbara biokemikalier. I dessa biosystem bryts råmaterial som kallas substrat ned av en serie enzymer (dvs biologiska katalysatorer) för att erhålla den önskade slutprodukten. I flera fall är substraten kolhydrater såsom sackaros, cellulosa eller stärkelse. I det första steget av dessa reaktioner omvandlas sackaros till glukosderivat som ɑ-glukos 1-fosfat (ɑ-G1P) eller glukos 6-fosfat (G6P), som fungerar som viktiga mellanprodukter för ytterligare reaktioner.
Trots dess praktiska användning och låga kostnad, används maltos sällan som ett substrat för enzymatiska biosystem. Detta beror på att traditionella enzymer omvandlar maltos till β-G1P istället för ɑ-G1P (dess spegelbild) eller G6P. Till skillnad från ɑ-G1P och G6P kan β-G1P inte bearbetas vidare för att erhålla den önskade slutprodukten.
En ny studie, publicerad den 1 juli 2022 i BioDesign Research , har löst detta problem på ett mycket innovativt sätt. I denna studie utvecklade forskare från Kina ett nytt syntetiskt enzymbiosystem som möjliggör biotillverkning av värdefulla produkter med maltos som substrat. Prof. Chun You, den ledande utredaren för studien, kommenterar att "maltos är så kostnadseffektivt, det är det bästa sockret i livsmedelsindustrin. Men dess tillämpningar som råmaterial för biosyntes har länge varit begränsade. Vår nya syntetiska reaktionsbiosystem löser detta problem och möjliggör ökad maltosanvändning inom biotillverkningssektorn."
Varje maltosmolekyl består av två glukosmolekyler, sammanlänkade genom den första och fjärde kolatomen. Som jämförelse består sackaros av en glukos- och en fruktosmolekyl, kopplade genom den första och andra kolatomen. Genom ett rigoröst stegvis tillvägagångssätt designade Prof. Du och hans team först enzymatiska processer som teoretiskt kunde omvandla båda glukosmolekylerna i maltos till G6P. De renade sedan individuellt dessa enzymer, optimerade "receptet" och konstruerade det enzymatiska reaktionsbiosystemet in vitro, som bestod av tre enzymer:maltosfosforylas (MP), β-fosfoglukomutas (β-PGM) och polyfosfatglukokinas (PPGK). Deras preliminära resultat visade att deras strategi var framgångsrik – det tredelade enzymsystemet kunde omvandla varje maltosmolekyl till två molekyler av G6P.
Förstärkt av dessa fynd gav sig gruppen ut på att nå en annan topp. G6P var bara en mellanliggande. Deras verkliga mål var att uppnå värdefulla slutprodukter från maltos. För detta ändamål fokuserade de på två viktiga produkter, varav den första var fruktos 1,6-difosfat (FDP). FDP valdes på grund av dess kliniska värde vid behandling av ischemisk skada, kramper och diabeteskomplikationer. Den andra produkten var bioelektricitet, en form av miljövänlig energi.
Två separata reaktionssystem utformades för dessa slutprodukter. Den tredelade enzymatiska modulen var den primära komponenten i båda dessa reaktionssystem. Därefter försågs det första reaktionssystemet med nedströms enzymer för syntes av FDP från G6P, medan enzymer som möjliggjorde generering av bioelektricitet från G6P lades till det andra systemet.
Genom sina intelligenta konstruktioner uppnådde det 5-enzym in vitro FDP-producerande biosystemet och 14-enzymbatterisystemet en effektiv produktion av FDP respektive bioelektricitet. Utbytet av FDP kunde ökas till mer än 88 % av det teoretiska utbytet, medan den producerade bioelektriciteten hade en energieffektivitet på mer än 96 % och en maximal effekttäthet på 0,6 milliwatt per kvadratcentimeter.
Tillsammans ökar dessa fynd användningsfallen för maltos som biosyntessubstrat. Prof. Du förklarar att "potentialen hos maltos som råmaterial för biotillverkning är i stort sett outnyttjad. Vår studie föreslår nya tillämpningsscenarier för detta socker. Medan vi fokuserade på FDP och bioelektricitet i denna studie, finns det många andra tillämpningar, som kan vara utforskas i framtida studier." Han tillägger att deras "strategi också representerar ett nytt tillvägagångssätt för den mycket effektiva genereringen av bioelektricitet och användbara biokemikalier." + Utforska vidare
